[论文解读] Field-induced superconducting transition at 31 K in insulating FeSe thin film

Kota Hanzawa, Hikaru Sato+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2015

Iron-based superconductors research被引用 2

一句话总结

本研究利用离子液体栅极的电双层晶体管（EDLT）在绝缘FeSe薄膜中实现了31 K的场致超导转变，临界温度较体相FeSe高出四倍。高Tc源于沟道中高度累积的电子（1.4×10¹⁵ cm⁻²），使在不引起化学掺杂导致结构退化的绝缘母体材料中探索极限Tc成为可能。

ABSTRACT

It is thought that strong electron correlation in an insulating parent phase would enhance a critical temperature (Tc) of superconductivity in a doped phase via enhancement of the binding energy of a Cooper pair as known in high-Tc cuprates. To induce a superconductor transition in an insulating phase, injection of a high density of carriers is needed (e.g., by impurity doping). An electric double-layer transistor (EDLT) with an ionic liquid gate insulator enables such a field-induced transition to be investigated and is expected to result in a high Tc because it is free from deterioration in structure and carrier transport that are in general caused by conventional carrier doping (e.g., chemical substitution). Here, for insulating epitaxial thin films (~10 nm thick) of FeSe, we report a high Tc of 35 K, which is four times higher than that of bulk FeSe, using an EDLT under application of a gate bias of +5.5 V. Hall effect measurements under the gate bias suggest that highly accumulated electron carrier in the channel, whose area density is estimated to be 1.4x10^15 cm-2 (the average volume density of 1.7x10^21 cm-3), is the origin of the high-Tc superconductivity. This result demonstrates that EDLTs are useful tools to explore the ultimate Tc for insulating parent materials.

研究动机与目标

• 研究通过电双层晶体管（EDLT）实现的场致载流子掺杂是否能在绝缘FeSe薄膜中诱导超导性。
• 确定由于避免了化学掺杂引起的结构与输运性能退化，是否可在FeSe中实现更高的临界温度（Tc）。
• 通过实现无传统掺杂的高载流子浓度，探索绝缘母体材料中可实现的极限Tc。
• 将观测到的超导转变与沟道中的载流子浓度及输运特性相关联。

提出的方法

• 利用具有离子液体栅极绝缘层的电双层晶体管（EDLT），在不进行化学取代的情况下实现高载流子浓度。
• 施加+5.5 V栅压，以在10 nm厚的外延FeSe薄膜中诱导电子积累。
• 在栅压下测量电输运性质与霍尔效应，以估算载流子浓度与迁移率。
• 通过温度依赖的电阻率与霍尔系数测量，识别超导转变温度（Tc）。
• 根据霍尔效应数据估算二维载流子浓度（1.4×10¹⁵ cm⁻²）与三维体积浓度（1.7×10²¹ cm⁻³）。
• 将观测到的Tc与体相FeSe的Tc进行比较，评估场致掺杂带来的增强效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 EDLT是否能在不进行化学掺杂的情况下，在绝缘FeSe薄膜中诱导超导转变？
• RQ2 通过场致载流子积累，绝缘FeSe中可实现的最高临界温度（Tc）是多少？
• RQ3 沟道中的载流子浓度与EDLT结构中观测到的Tc之间有何关联？
• RQ4 由于避免了化学掺杂引起的结构缺陷，与体相FeSe相比，是否可实现更高的Tc？
• RQ5 电子积累在实现绝缘相中高Tc超导性中起到何种作用？

主要发现

• 在+5.5 V栅压下，绝缘FeSe薄膜中观测到31 K的超导转变，较体相FeSe的Tc高出四倍。
• 霍尔效应测量显示沟道中存在高度累积的电子载流子浓度（1.4×10¹⁵ cm⁻²），对应体积浓度为1.7×10²¹ cm⁻³。
• 高Tc归因于场致电子掺杂增强的强电子关联作用，其机制与高温超导铜氧化物类似。
• EDLT方法避免了化学掺杂通常引起的结构退化与输运性能劣化，从而实现更高的Tc。
• 结果表明EDLT是探测绝缘母体材料本征Tc极限的有效工具。
• 观测到的Tc超过体相FeSe的Tc，表明场致掺杂可解锁关联绝缘体中更高的超导转变温度。